Forschungspublikationen

Introduction: The causes of tooth loss are very diverse, including trauma, tumor removal, tooth decay, and—very commonly—periodontitis (bacterial inflammation of the gums and jawbone). In Germany, approximately 50–60% of the population suffers from moderate to severe periodontitis, with the incidence increasing with age; consequently, a growing demand for artificial teeth is expected in the future [1]. In addition to the root cavity resulting from tooth loss, the causes mentioned above can also lead to damage to larger areas of the jawbone or necessitate their removal. Furthermore, bone resorption occurs due to the lack of mechanical stress on the jaw, making it impossible to place an implant without prior reconstruction of the bone tissue. Since an implant must be firmly anchored in the jawbone, prior bone augmentation is therefore absolutely necessary in these cases to provide patients with optimal care. In Germany, over 50% of dental implants placed require such augmentation [2–4]. In this treatment approach, a bone substitute material is filled into the cavity and covered with a GBR membrane. The membrane is essential for the success of the treatment, as its primary function is to prevent rapidly proliferating soft tissue cells from invading the cavity. Currently, both non-resorbable (e.g., PTFE, titanium) and resorbable (e.g., collagen) GBR membranes are used; however, they can only partially meet the required performance criteria. Resorbable membranes tend to be preferred because they do not need to be removed in a second surgical procedure—which could jeopardize treatment success—and carry a lower risk of infection. However, due to their lack of primary stability, their mechanical properties do not yet allow them to maintain space in a moist environment. For this reason, non-resorbable GBR membranes continue to be used as well [5, 6]. A GBR membrane that combines resorbability with space-maintaining properties in a way that meets clinical requirements does not yet exist, a fact underscored by high revision rates of approximately 20% [7, 8].

The IGF OsteoMe project aimed to develop novel, multilayer GBR membranes for bone augmentation with a complex, application-oriented property profile. To this end, the project partners ITM and FILK combined their complementary expertise in the development of electrospun and additive-manufactured (Fiber Additive Manufacturing, FAM) biopolymer structures, the functionalization of chitosans, and cell biological characterization. The property profile, which had been developed in advance through discussions with clinicians and industry representatives, was to be realized through a three-layer membrane structure consisting of a mucoadhesive layer for positional stabilization, a cell-excluding barrier layer, and a structuring, mineralized layer with defined porosity and mineral gradients to biomimetically replicate the bone-tissue interface and provide space-maintaining properties. Based on the materials polycaprolactone (PCL), silk fibroin (SF), and chitosan (Ch), simulation-based fabrication strategies were investigated that enable the targeted adjustment of mechanical, functional, and biological properties.

Results:

Mucoadhesive layer: Mucoadhesive materials allow for prolonged retention on mucous membranes and are therefore of interest for numerous medical applications. Chitosan is considered a promising mucoadhesive biopolymer due to its positive charge and the resulting interactions with negatively charged mucins. To further improve adhesion, the covalent binding of thiol-containing compounds was investigated, as these additionally enable the formation of disulfide bonds with mucin.

Functionalization was carried out via carbodiimide (EDC/NHS)-mediated coupling of N-acetylcysteine (NAC) or cysteine to chitosan with a degree of deacetylation exceeding 90%. Both the direct modification of chitosan films and the derivatization of dissolved chitosan were investigated. While the functionalization of films was complicated by the limited accessibility of the amino groups within the solid polymer matrix and resulted in an inhomogeneous distribution of thiol groups, the modification of dissolved chitosan enabled the preparation of reproducible conjugates with high thiol contents. The optimized chitosan conjugate achieved a total thiol content of approximately 878 µmol/g, with about 311 µmol/g present as free thiol groups. Due to the high reactivity of the thiol groups, a loss of approximately 20% was observed within two weeks during storage in air; therefore, storage under oxygen-free conditions is recommended. To produce mechanically stable membranes, the addition of at least 70 wt% unmodified chitosan was required (see Figure 1).

The mucoadhesive properties were investigated using a specially developed test setup on a texture analyzer, with porcine intestinal mucosa serving as the model substrate. The adhesive forces were determined relative to unmodified chitosan. In particular, acid-treated chitosan films exhibited high adhesion forces, which could be specifically influenced by varying the contact pressure and contact time. Neutralized films, on the other hand, did not achieve the target adhesion forces. Even the introduction of thiol groups did not lead to a significant improvement in mucoadhesion under neutral conditions (see Figures 2 and 3).

Although the formation of disulfide bonds between thiol groups and mucin is considered an established mechanism for enhancing mucoadhesion, this effect could not be demonstrated in the present studies. Possible causes under discussion include an insufficient density of reactive thiol groups on the surface and their limited reactivity under physiological conditions.

In summary, it was demonstrated that thiol-modified chitosan materials can be successfully produced. However, the highest adhesion forces were achieved not through chemical functionalization, but through acid-treated chitosan films. For future applications, strategies for stabilizing and controllably neutralizing these highly adhesive materials therefore represent a particularly promising avenue for development.

Barrier layer: To create submicroscale pores, the interactions between process and spinning solution parameters as well as fiber diameters were first investigated in detail. The spinning solution concentration (2–15%), the silk fibroin (SF)–polycaprolactone (PCL) ratio (0–100% SF), the influence of salt additives (up to 5 wt-% potassium chloride - KCl), the flow rate (0.5–2 ml/h), and the electric field strength (0–1.5 kV/cm) were systematically varied. It was found that fiber diameters can be specifically reduced, in particular by lowering the flow rate and the spinning solution concentration (Figure 4A) as well as by adding up to 66% SF. Higher SF content and salt additives lead to inhomogeneities in the resulting fiber diameters and shapes, as well as, in some cases, to embrittlement of the membranes. Varying the electric field strength (0–40 kV) also affected the fiber diameters, though only to a very small extent (approx. ± 22 nm); therefore, the preferred solution was selected here based on differences in handling during membrane production. Concentrations below 3% were not spinnable or resulted in irregular strand breaks. Based on these findings, the case group SF:PCL_1:2_3% was selected as the preferred solution. This case group exhibited nearly normally distributed pore sizes with a mean of 613 nm (Figure 4B). Approximately 6% of the pores had a diameter below the target value of 200 nm. To investigate migration behavior, the membranes were mounted in cell culture inserts (Cell-Crown™ inserts) and seeded with gingival epithelial cells for 72 h. After cultivation, cryosections were prepared, and the cytoskeleton and cell nuclei were stained. The barrier function was demonstrated over a period of 72 h (Figure 4C).

Mineral Layer: To achieve the desired structure of macroporous reinforcement structures, a tricalcium phosphate (TCP)-containing printing paste based on PCL was developed for the FAM. Mineral content of up to 50% was achieved without compromising printability. Using the FAM, constructs with triangular pore geometries were produced, as these offered advantages in terms of surgical handling, particularly with regard to flexibility. The 3D-printed specimens were subjected to enzymatic-catalyzed degradation over an 8-week period and, depending on the degree of degradation, were mechanically characterized in a humid environment and compared with commercially available, non-degraded GBR membranes (BioGuide, CollProtect, Mucoderm). To this end, four test specimens per week were incubated for 8 weeks in a degradation solution (physiological phosphate-buffered saline (PBS) and an enzyme cocktail consisting of protease XIV and lipase). The medium was changed twice each week to prevent the degradation solution from becoming saturated with degradation products. The enzyme concentration was set at 2.5 U/L per enzyme so that both the lipase and protease, considered individually, would reflect the total enzyme concentration in human saliva [9]. This increased enzyme concentration enables rapid degradation while also providing reliable data on the minimum shelf life of the developed GBR membrane in the human oral cavity. Initially, a slight increase in mass and tensile strength in the wet state was observed, which is presumably due to the deposition of salts on the surface (Figure 5). Starting in week 3, a continuous decline in mass and mechanical properties can be observed, although this decline is comparatively minor. Even after 7 weeks, the tensile strength remains in the range of 8 MPa and is thus comparable to the initial strength prior to degradation. Thus, the space-maintaining capacity of the developed GBR membrane was demonstrated for approximately 2 months, which is sufficient for the remodeling of natural bone tissue. The target value of > 5 MPa in a moist environment was maintained throughout the entire degradation period. Furthermore, a comparison was conducted with non-degrading, commercially available GBR membranes, demonstrating the comparability of the developed membrane. In addition, continuous calcium release was detected over the course of the degradation period, which may have a positive effect on bone regeneration.

To evaluate the osteoconductive effect of the mineral layer, the differentiation of bone progenitor cells (mesenchymal stem cells, MSCs) into osteogenic cells was investigated. Based on the staining of calcium deposits in the mineralized tissue (Alizarin Red S staining) and the quantitative analysis of osteogenic marker expression (qPCR of collagen I (Col1), alkaline phosphatase (ALP), osteocalcin (BGLAP), and osteopontin (SPP1)), a positive effect of the membrane developed in the project on bone tissue regeneration was demonstrated. Osteogenic induction was achieved by adding dexamethasone, β-glycerophosphate, and ascorbic acid for 28 days. Differentiation was controlled using MSCs without any material influence.

Summary: As a result of the OsteoMe project, three membrane layers were developed, each of which fulfills essential aspects of the requirements profile for GBR membranes in dentistry. Depending on the acidity of the chitosan as well as the contact time and pressure, the mucoadhesive layer develops adhesive forces in the range of 1 to 4 N, which are comparable to those of established fibrin glues. This enables the membrane to be applied to the defect site in a position-stable manner without the need for additional sutures or pins. The barrier layer is designed with open pores, allowing for the exchange of nutrients and signaling molecules, which can positively influence regeneration. At the same time, it was shown that the pore size is small enough to act as a barrier to rapidly proliferating oral mucosal cells, thereby providing the slow-growing bone tissue cells with sufficient time for regeneration. The 3D-printed mineral layer exhibits sufficiently high mechanical properties in simulated saliva to ensure a space-maintaining function. The tensile strengths achieved are comparable to those of commercially available GBR membranes and show virtually no decline during enzymatic-catalyzed degradation over eight weeks. Furthermore, it was demonstrated that the mineral layer exhibits osteoinductive properties and can thus actively support bone regeneration. Finally, methods were developed to ensure a delamination-free bonding of the individual layers. This allows the layers to be flexibly combined with one another, thereby expanding the range of possible applications.

 

Acknowledgments: The IGF project 01IF22810N of the Forschungskuratorium Textil e.V. research association was funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy through the DLR Project Management Agency as part of the Program for the Promotion of Industrial Collaborative Research (IGF), pursuant to a resolution of the German Bundestag.

         

Quellenverzeichnis:

[1]         CHOLMAKOW-BODECHTEL, Constanze: Fünfte Deutsche Mundgesundheitsstudie (DMS V). JORDAN, Andreas Rainer (Hrsg.); MICHEELIS, Wolfgang (Hrsg.). Köln : Deutscher Zahnärzte Verlag DÄV, 2016

[2]         CHA, Hyun-Suk ; KIM, Ji-Wan ; HWANG, Jong-Hyun ; AHN, Kang-Min: Frequency of bone graft in implant surgery. In: Maxillofacial plastic and reconstructive surgery 38 (2016), Nr. 1, S. 19

[3]         MOY, Peter K. ; AGHALOO, Tara: Risk factors in bone augmentation procedures. In: Periodon-tology 2000 81 (2019), Nr. 1, S. 76–90

[4]         KNÖFLER, Wolfram ; BARTH, Thomas ; GRAUL, Reinhard ; KRAMPE, Dietmar: Retrospective analysis of 10,000 implants from insertion up to 20 years-analysis of implantations using aug-mentative procedures. In: International journal of implant dentistry 2 (2016), Nr. 1, S. 25

[5]         CABALLÉ-SERRANO, Jordi ; MUNAR-FRAU, Antonio ; ORTIZ-PUIGPELAT, Octavi ; SOTO-PENALOZA, David ; PEÑARROCHA, Miguel ; HERNÁNDEZ-ALFARO, Federico: On the search of the ideal barrier membrane for guided bone regeneration. In: Journal of clinical and experi-mental dentistry 10 (2018), Nr. 5, e477-e483

[6]         JIMÉNEZ GARCIA, J. ; BERGHEZAN, S. ; CARAMÊS, J. M. M. ; DARD, M. M. ; MARQUES, D. N. S.: Effect of cross-linked vs non-cross-linked collagen membranes on bone: A systematic re-view. In: Journal of periodontal research 52 (2017), Nr. 6, S. 955–964

[7]         BUTENSCHÖN, Sina: Prävalenz periimplantärer Entzündungen bei teilbezahnten Patienten nach einer minimalen Beobachtungsdauer von 10 Jahren - eine retrospektive Querschnittsstu-die. Göttingen, Georg-August-Universität zu Göttingen. Dissertation. 2019

[8]         RAKIC, Mia ; GALINDO-MORENO, Pablo ; MONJE, Alberto ; RADOVANOVIC, Sandro ; WANG, Hom-Lay ; COCHRAN, David ; SCULEAN, Anton ; CANULLO, Luigi: How frequent does peri-implantitis occur? A systematic review and meta-analysis. In: Clinical oral investigations 22 (2018), Nr. 4, S. 1805–1816

[9]         CHAUNCEY, Howard Haskell. The chemical composition of human sal

Introduction

Textile membrane structures have established themselves as lightweight, flexible, and yet high-performance components in numerous technical applications, such as architectural roof and facade systems, mobile and stationary protective structures, and maritime environments. However, their load-bearing capacity and fatigue strength depend crucially on static and dynamic stresses, as local overloads and undetected damage can lead to sudden structural failure in extreme cases. In practice, inspections have so far been based predominantly on visual checks and selective measurements, which do not allow for continuous condition monitoring or comprehensive evaluation of membrane behavior and are therefore of limited value for predictive maintenance. Against this background, the IGF project 01IF22600N aims to transform textile membranes into intelligent, sensor-functionalized structures that record their own stress and damage status in real time. To this end, a textile sensor structure [1] is integrated into the membrane structure [2, 3] and its measured values are evaluated in combination with simulation results [4, 5] using AI-based algorithms [6].

Objective

The central goal of the project was to create a fiber sensor-based monitoring system that determines the full-surface stress distribution of textile membranes and can thus provide indications of fatigue and structural damage. To this end, thread-like sensor materials were examined for their elongation properties and suitability for use in combination with the membrane. Using the preferred variants, weaving patterns for fabrics with integrated sensor and energy supply structures were developed and manufactured. These patterns were mechanically characterized while simultaneously recording the sensor measurements. At the same time, the global strain distribution was simulated for the test scenarios. Based on this data, algorithms were developed that calculate the global strain distribution from the sensor measurements and output it in real time, e.g., as a heat map. The developed system was successfully implemented and integrated into a functional demonstrator.

Results

Thread-shaped sensor materials

Silver-coated polyamide yarns, pseudoelastic shape memory alloys (SMA), and precision resistance alloys were selected as promising options in the search for a suitable thread sensor material. The behavior of the electrical resistance under tension, the temperature stability, and the suitability for subsequent textile integration into the membrane composite were investigated. Cyclic tensile tests up to 10 % strain were chosen as the characterization method and were repeated at various temperatures between -20 °C and 70 °C. As a result of these investigations, SMAs proved unsuitable due to their high temperature dependence and strongly non-linear resistance behavior. Both precision resistance alloys (Isaohm® / Isabellenhütte) and silver-coated polyamide yarns (SilverTech+® 150 / Amann & Söhne GmbH & Co. KG) appeared to be fundamentally suitable and were taken into account in the following tests, with precision resistance alloys being identified as the preferred option due to their lower temperature dependence and linear sensor behavior. A fine wire (LitzWire / Rudolf Pack GmbH & Co. KG) was selected for the implementation of the electrical contact network due to its good textile processability and low basic electrical resistance (<< 1 Ω/m).

Development and production of functional samples

Two approaches were pursued for the development of a functional sample. On the one hand, samples were produced using embroidery technology and the TFP process; on the other hand, the thread-like sensor and the textile feed line were already integrated into the semi-finished textile product during the weaving process. For the embroidered samples, a commercially available membrane (HEYtex tentorium 900) was used. Both the silver-coated polyamide yarn and the precision resistance alloy were applied in patches using the tailored fiber placement (TFP) process (Figure 1) in order to increase the sensor length and thus improve measurement accuracy. In addition, the sensor patches were applied in different orientations in order to detect stretching in different directions. At the same time, the silver-coated polyamide yarn Shieldex® 117, which is more robust in textile processing than SilverTech+® 150, was embroidered using regular zigzag and chain stitches without auxiliary thread.

For the woven patterns, a grid with weft and warp threads made of feedline and sensor material was designed, which was combined with the polyester base fabric in terms of pattern (Figure 2). This made it possible to create arrangements with sensors in the warp and weft directions, which later allowed the calculation of tensile stress in different directions. A total of three patterns were created, which differed in terms of the length and position of the sensors. The third variant was a hybrid that combined a woven supply network with sensor patches that were embroidered on afterwards. Two types of intersection points, with and without electrical contact, were created in the conductive structures and implemented using binding techniques. The samples were produced on a gripper loom with center transfer (Lindauer Dornier P1).

A key development step was the creation of practical contacting strategies for the sensor network. Conventional soldering methods caused damage to the textile base material due to high process temperatures, while alternative conductive adhesives initially exhibited excessive contact resistance in the kΩ range. However, by using an epoxy-silver conductive adhesive (8330S) with defined curing (160°C, 90 s, light pressure), stable, low-resistance contacts could be achieved both within the fabric and at the edges of the goods; in combination with crimp contacts, a mechanically robust and electrically reliable connection to external measurement technology was achieved.

Coating of the textile semi-finished product with integrated sensor structure

The functionalized fabrics were then coated with a PVC paste (plus 5% bonding agent) provided by the industry partner using a LineCoater from COATEMA (Figure 3). It was found that both integrally woven (0.2 mm) and embroidered sensor and supply structures (0.7 mm) could be integrated into the membrane with a low application thickness, so that the basic mechanical properties of the membrane were only minimally altered, while complete coverage and electrical insulation of the sensor technology was achieved. Additional tests with transfer foils and directly applied PVC adhesive layers showed that manual or semi-manual coating strategies are also suitable for local or subsequent functionalization, especially for smaller membrane areas.

Characterization of the membrane with integrated sensor technology

The manufactured samples were first tested in uniaxial tensile tests. In addition to the basic mechanical properties, the electromechanical properties were also determined. Particular attention was paid to the influence of the integrated sensor technology on structural integrity. Tests were carried out in both the weft and warp directions. With a maximum force of 3810 N at 23.2 % elongation in the weft direction and 4100 N at 24.9 % elongation in the warp direction, the manufactured samples were at a similar level to the commercial product from Heytex (weft: 3780 N at 25.8 %; warp: 3920 N at 20.6 %). Accordingly, it was not expected that the mechanical performance would be affected by the integration of the sensor network.

Development of algorithms for full-surface strain state detection

Based on biaxial tensile tests of the commercial membrane, FE models were created for the full-surface simulation of stress conditions. In addition to providing a database for algorithm development, this also supported the selection of suitable sensor layouts. The modeling was based on shell elements with an anisotropic material model. Based on the calibrated material model, simulations were performed with randomly varied load positions and magnitudes, which formed part of the database for algorithm development.

The AI model underlying the algorithms was based on a regressive model. To this end, the previously simulated load cases were applied to the demonstrator. The resulting sensor measurements were used to train the model. The model was then evaluated using the parameters mean absolute error (MAE), root mean squared error (RMSE), and coefficient of determination (R²). For the functional demonstrator, which consisted of a square, flat membrane, high accuracy was demonstrated for position determination in the single-digit mm range. The amount of load was also determined precisely with a coefficient of determination of 0.9604. The system achieves ± 3 mm spatial resolution and ± 0.6 N force accuracy for demonstrator loads < 50 N and is scalable up to kN load ranges. Based on the determined values for the position and magnitude of a load application, the corresponding full-area stress state was determined using multi-stage k-nearest neighbor models. The resulting model showed a high regression quality with a deviation of less than 5% from the FEM reference. In addition, the model proved to be very stable in general and allowed the desired real-time determination of the stress distribution. For the functional demonstrator, the results of the model were visualized in real time on a display unit next to the membrane (Figure 4), so that the effect of applied loads was immediately apparent to the user.

Conclusion

In summary, the IGF MeMo project shows that PVC-coated PES membranes can be further developed into intelligent, real-time capable support structures by combining suitable sensor materials, textile integration strategies, and robust contacting and coating processes. The experimental results prove that the mechanical performance of the membrane is largely retained despite the integration of the sensor technology and that the functional requirements – in particular with regard to the measuring range, temperature stability, and long-term behavior of the selected sensor materials – are met. The project developed an AI-based regression approach that determines load positions and amounts in real time from textile-integrated sensor signals and derives full-surface stress states from them without requiring numerical simulations during operation. The approach is characterized by high robustness against sensor-related scatter and low requirements for computing power and training data. The underlying methodology is fundamentally transferable to other large-area, deformable structures with integrated sensor technology, for example in textile architecture, lightweight construction, or membrane- and composite-based structural systems, e.g., in the maritime sector.

At the same time, the investigations clearly show that the type of integration and contacting has a significant influence on the quality of the sensor signals: Inline-contacted, integrally woven sensors are technologically sophisticated and currently still limited in terms of signal stability, while embroidered sensor networks with clearly defined, easily accessible contact points deliver significantly more robust and easier-to-evaluate signals. Thus, the work not only provides a complete technical toolkit, but also a clear preference for further system development towards embroidered, hybrid membrane solutions.

In the field of mechanical and electromechanical characterization, it seems sensible to expand biaxial testing programs on functionalized membranes. This would allow for an even closer link between experimental and numerical data and extend the validation of the material and damage descriptions used in the FEM models to the sensor membrane system as a whole. At the same time, the algorithms for load localization and stress reconstruction based on the data available to date can be expanded to include additional load collectives, more complex boundary conditions, and additional failure patterns, so that the monitoring system will continue to operate reliably in the long term, even in highly variable application scenarios.

On this basis, manufacturing and retrofitting concepts can be developed with a view to implementing intelligent, self-monitoring membrane structures in various industries - from construction and protective and safety applications to the maritime sector.

Acknowledgement

The IGF project 01IF22600N of the research association Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstr. 12-14, 10117 Berlin, was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy via the German Aerospace Center (DLR) as part of the program for the promotion of Industrial Collective Research (IGF) based on a resolution of the German Bundestag.

The authors would like to thank the aforementioned institutions for providing the financial resources. The research report and further information are available from the Institute of Textile Machinery and High Performance Material Technology at TU Dresden.

References

[1]   J. Mersch, C. A. G. Cuaran, A. Vasilev, A. Nocke, C. Cherif, and G. Gerlach, "Stretchable and Compliant Textile Strain Sensors," IEEE Sensors J., vol. 21, no. 22, pp. 25632–25640, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3115973.

[2]   K. Bremer, F. Weigand, Y. Zheng, L. S. Alwis, R. Helbig, and B. Roth, "Structural Health Monitoring Using Textile Reinforcement Structures with Integrated Optical Fiber Sensors," Sensors (Basel, Switzerland), vol. 17, no. 2, 2017, doi: 10.3390/s17020345.

[3]   E. Haentzsche, R. Mueller, T. Ruder, A. Nocke, and C. Cherif, "Integrative Manufacturing of Textile-Based Sensors for Spatially Resolved Structural Health Monitoring Tasks of Large-Scaled Composite Components," MSF, 825-826, pp. 571–578, 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.571.

[4]   T. D. Dinh et al., "A study of tension fabric membrane structures under in-plane loading: Nonlinear finite element analysis and validation," Composite Structures, vol. 128, pp. 10–20, 2015, doi: 10.1016/j.compstruct.2015.03.055.

[5]   T. D. Dinh, A. Rezaei, L. de Laet, M. Mollaert, D. van Hemelrijck, and W. van Paepegem, "A new elasto-plastic material model for coated fabric," Engineering Structures, vol. 71, pp. 222–233, 2014, doi: 10.1016/j.engstruct.2014.04.027.

[6]   J. Vitola, F. Pozo, D. A. Tibaduiza, and M. Anaya, "A Sensor Data Fusion System Based on k-Nearest Neighbor Pattern Classification for Structural Health Monitoring Applications," Sensors (Basel, Switzerland), vol. 17, no. 2, 2017, doi: 10.3390/s17020417.

 

Einleitung

Textile Membranstrukturen haben sich als leichte, flexible und zugleich leistungsfähige Bauelemente in zahlreichen technischen Anwendungen etabliert, etwa in architektonischen Dach- und Fassadensystemen, in mobilen und stationären Schutzbauten oder im maritimen Umfeld. Ihre Tragfähigkeit und Dauerfestigkeit hängen jedoch entscheidend von statisch und dynamisch herrschenden Beanspruchungen ab, da lokale Überlastungen und unerkannte Schädigungen im Extremfall zu plötzlichen Strukturversagen führen können. In der Praxis basieren Inspektionen bislang überwiegend auf visuellen Kontrollen und punktuellen Messungen, die weder eine kontinuierliche Zustandsbeobachtung noch eine flächendeckende Bewertung des Membranverhaltens erlauben und daher nur eingeschränkte Aussagekraft für eine vorausschauende Instandhaltung besitzen. Vor diesem Hintergrund verfolgt das IGF‑Vorhaben 01IF22600N das Ziel, textile Membranen in intelligente, sensorisch funktionalisierte Strukturen zu transformieren, die ihren eigenen Spannungs- und Schädigungszustand in Echtzeit erfassen. Dazu wird eine textile Sensorstruktur [1] in die Membranstruktur integriert [2, 3] und deren Messwerte in Kombination mit Simulationsergebnissen [4, 5] durch KI-basierte Algorithmen [6] ausgewertet.

Zielsetzung und Lösungsweg

Zentrales Ziel des Projekts war die Kreierung eines fasersensorbasierten Monitoring-Systems, das eine vollflächige Spannungsverteilung textile Membranen ermittelt und somit Hinweise auf Ermüdungserscheinungen und strukturelle Schädigungen geben kann. Hierzu wurden fadenförmige Sensormaterialien auf ihre Dehnungseigenschaften und Eignung für den Einsatz im Verbund mit der Membran untersucht. Mit den Vorzugsvarianten wurden Bindungsmuster für Gewebe mit integrierter Sensorik- und Energieversorgungsstruktur entwickelt und gefertigt. Diese Muster wurden mechanisch charakterisiert bei gleichzeitiger Erfassung der Sensormesswerte. Gleichzeitig wurden für die Prüfszenarien die globale Dehnungsverteilung simuliert. Auf Grundlage dieser Daten wurden Algorithmen entwickelt, die aus den Sensormesswerten die globale Dehnungsverteilung errechnen und in Echtzeit z. B. als Heatmap ausgeben. Das entwickelte System wurde erfolgreich umgesetzt und in einen Funktionsdemonstrator integriert.

Ergebnisse

Fadenförmige Sensormaterialien

Für die Suche nach einem geeigneten Fadensensormaterial wurden besilberte Polyamidgarne, pseudoelastische Formgedächtnislegierungen (FGL) und Präzisionswiderstandslegierungen als aussichtsreiche Varianten ausgewählt. Untersucht wurde das Verhalten des elektrischen Widerstands unter Dehnung, die Temperaturstabilität und die Eignung für die spätere textiltechnische Integration in den Membranverbund. Als Charakterisierungsmethode wurden zyklische Zugversuche bis 10 % Dehnung gewählt, die unter verschiedenen Temperaturen zwischen -20 °C und 70 °C wiederholt wurden. Im Ergebnis dieser Untersuchungen erwiesen sich FGL aufgrund ihrer großen Temperaturabhängigkeit und des stark nicht-linearen Widerstandsverhalten als ungeeignet. Sowohl Präzisionswiderstandslegierungen (Isaohm® / Isabellenhütte) als auch besilberte Polyamidgarne (SilverTech+® 150 / Amann & Söhne GmbH & Co. KG) erschienen grundsätzlich als geeignet und wurden bei den folgenden Versuchen berücksichtigt, wobei die Präzisionswiderstandslegierungen aufgrund der geringeren Temperaturabhängigkeit und des linearen Sensorverhaltens als Vorzugsvariante identifiziert wurden. Für die Realisierung des elektrischen Kontaktierungsnetzwerks wurde aufgrund der guten textilen Verarbeitbarkeit und des geringen elektrischen Grundwiderstands (<< 1 Ω/m) ein Feindraht (LitzWire / Rudolf Pack GmbH & Co. KG) ausgewählt.

Entwicklung und Herstellung von Funktionsmustern

Für die Entwicklung eines Funktionsmusters wurden zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wurden Muster mittels der Sticktechnologie und des TFP-Verfahrens hergestellt, zum anderen wurde der fadenförmige Sensor und die textile Zuleitung bereits im Webprozess in das textile Halbzeug integriert. Für die gestickten Muster wurde auf einer kommerziell erhältlichen Membran (HEYtex tentorium 900) gearbeitet. Dabei wurden sowohl das besilberte Polyamidgarn als auch die Präzisionswiderstandslegierung im Tailored-Fiber-Placement-Verfahren (TFP) in Mändern aufgebracht (Abbildung 1), um die Sensorlänge zu vergrößern und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen. Zudem wurden die Sensorpatches in verschiedenen Orientierungen aufgebracht, um die Dehnung in verschiedenen Richtungen zu erfassen. Parallel dazu wurde das besilberte Polyamidgarn Shieldex® 117, welches in der textilen Verarbeitung robuster ist als SilverTech+® 150, mit den regulären Sticharten Zick-Zack- und Kettelstich ohne Hilfsfaden aufgestickt.

Für die gewebten Muster wurde ein Raster mit Schuss- und Kettfäden aus Zuleitungs- und Sensormaterial entworfen, das mustertechnisch mit dem Grundgewebe aus Polyester kombiniert wurde (Abbildung 2). So konnten Anordnungen mit Sensoren in Kett- und Schussrichtungen realisiert werden, die später die Berechnung der Dehnungsbeanspruchung in verschiedenen Richtungen erlaubt. Insgesamt wurden drei Muster realisiert, welche sich durch Länge und Position der Sensoren unterschieden. Die dritte Variante war ein Hybrid, der ein gewebtes Zuleitungsnetzwerk mit nachträglich aufgestickten Sensorpatches kombinierte. In den leitfähigen Strukturen wurden zwei Arten von Kreuzungspunkten, mit und ohne elektrischen Kontakt, realisiert und bindungstechnisch umgesetzt. Die Muster wurden auf einer Greiferwebmaschine mit Mittenübergabe produziert (Lindauer Dornier P1) gefertigt.

Entwicklung von Kontaktierungslösungen

Ein wesentlicher Entwicklungsschritt bestand in der Ausarbeitung praxistauglicher Kontaktierungsstrategien für das Sensornetzwerk. Konventionelle Lötverfahren führten aufgrund hoher Prozesstemperaturen zu Schäden am textilen Grundmaterial, während alternative leitfähige Kleber zunächst zu hohe Übergangswiderstände im kΩ‑Bereich aufwiesen. Durch den Einsatz eines Epoxid‑Silberleitklebers (8330S) mit definierter Aushärtung (160 °C, 90 s, leichter Druck) konnten hingegen stabile, niederohmige Kontaktierungen sowohl innerhalb des Gewebes als auch an den Warenrändern realisiert werden; in Kombination mit Crimpkontakten wurde eine mechanisch robuste und elektrisch zuverlässige Verbindung zu externer Messtechnik erreicht.

Beschichtung des textilen Halbzeugs mit integrierter Sensorstruktur

Die anschließende Beschichtung der funktionalisierten Gewebe mit einer vom Industriepartner bereitgestellten PVC‑Paste (plus 5 % Haftvermittler) erfolgte auf einem LineCoater der Firma COATEMA (Abbildung 3). Es zeige sich, dass mit geringer Auftragsdicke sowohl integral eingewebte (0,2 mm) als auch gestickte Sensor- und Zuleitungsstrukturen (0,7 mm) in die Membran integriert werden konnten, sodass die mechanischen Basiseigenschaften der Membran nur minimal verändert wurden, während eine vollständige Überdeckung und elektrische Isolation der Sensorik erreicht wurde. Ergänzende Versuche mit Transferfolien und direkt applizierten PVC‑Klebschichten zeigten, dass auch manuelle oder halbmanuelle Beschichtungsstrategien für lokale oder nachträgliche Funktionalisierungen geeignet sind, insbesondere bei kleineren Membranflächen.

Charakterisierung der Membran mit integrierter Sensorik

Die gefertigten Muster wurden zunächst in uniaxialen Zugversuchen geprüft. Dabei wurden neben den grundlegenden mechanischen auch die elektromechanischen Eigenschaften bestimmt. Dabei lag ein besonderes Augenmerk auf dem Einfluss der integrierten Sensorik auf die strukturelle Integrität. Dazu wurde sowohl in Schuss- als auch in Kettrichtung geprüft. Die gefertigten Muster lagen mit einer maximalen Kraft von 3810 N bei 23,2 % Dehnung in Schussrichtung und 4100 N bei 24,9 % Dehnung in Kettrichtung auf einem ähnlichen Niveau wie das kommerzielle Produkt der Firma Heytex (Schuss: 3780 N bei 25,8 %; Kett: 3920 N bei 20,6 %). Entsprechend war nicht davon auszugehen, dass die mechanische Leistungsfähigkeit durch die Integration des Sensornetzwerks beeinflusst wird.

Entwicklung von Algorithmen zur vollflächigen Dehnungszustandserfassung

Basierend auf biaxialen Zugversuchen der kommerziellen Membran wurden FE-Modelle für die vollflächige Simulation der Beanspruchungszustände erstellt. Neben der Datenbasis für die Algorithmenentwicklung konnte so auch die Auswahl geeigneter Sensorlayouts unterstützt werden. Die Modellierung basierte auf Schalenelementen mit anisotropem Materialmodell. Auf Basis des kalibrierten Materialmodells wurden Simulationen mit zufällig variierten Lastpositionen und -größen durchgeführt, die einen Teil der Datenbasis für die Algorithmenentwicklung bildeten.

Das den Algorithmen zugrundeliegende KI-Modell basierte auf einem regressiven Modell. Dazu wurden die zuvor simulierten Lastfälle auf den Demonstrator aufgebracht. Die entstandenen Sensormesswerte dienten dem Training des Modells. Im Anschluss wurde das Modell anhand der Parameter Mean Absolute Error (MAE), Root Mean Squared Error (RMSE) und Bestimmtheitsmaß (R²) bewertet. Für den Funktionsdemonstrator, der aus einer quadratischen, eben aufgespannten Membran bestand, zeigte sich eine hohe Genauigkeit für die Positionsbestimmung im einstelligen mm-Bereich. Auch der Betrag der Last wurde mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,9604 präzise bestimmt. Das System erreicht ± 3 mm Ortsauflösung und ± 0,6 N Kraftgenauigkeit bei Demonstratorlasten < 50 N und ist bis hin zu kN-Lastbereiche skalierbar. Auf der Grundlage der bestimmten Werte für die Position und den Betrag eines Lasteintrags wurde über mehrstufige k-Nearest-Neighbor-Modelle der zugehörige vollflächige Spannungszustand bestimmt. Das entstandene Modell zeigte mit einer Abweichung von unter 5 % zur FEM-Referenz eine hohe Regressionsgüte. Zudem erwies sich das Modell allgemein als sehr stabil und erlaubte die angestrebte Echtzeitbestimmung der Spannungsverteilung. Für den Funktionsdemonstrator wurden die Ergebnisse des Modells in Echtzeit auf einer Displayeinheit neben der Membran visualisiert (Abbildung 4), sodass die Auswirkung aufgebrachter Belastungen für den Nutzer sofort ersichtlich waren.

 

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassend zeigt das IGF Projekt MeMo, dass sich PVC‑beschichtete PES‑Membranen durch die Kombination geeigneter Sensormaterialien, textiler Integrationsstrategien und robuster Kontaktierungs- und Beschichtungsverfahren zu intelligenten, echtzeitfähigen Tragstrukturen weiterentwickeln lassen. Die experimentellen Ergebnisse belegen, dass die mechanische Leistungsfähigkeit der Membran trotz Integration der Sensorik weitgehend erhalten bleibt und die funktionalen Anforderungen – insbesondere bezüglich Messbereich, Temperaturstabilität und Langzeitverhalten der ausgewählten Sensormaterialien – erfüllt werden. Im Projekt wurde ein KI-basierter Regressionsansatz entwickelt, der aus textilintegrierten Sensorsignalen in Echtzeit Lastpositionen und -beträge ermittelt und daraus vollflächige Spannungszustände ableitet, ohne während des Betriebs numerische Simulationen zu benötigen. Der Ansatz zeichnet sich durch hohe Robustheit gegenüber sensorbedingten Streuungen sowie geringe Anforderungen an Rechenleistung und Trainingsdaten aus. Die zugrunde liegende Methodik ist grundsätzlich auf andere großflächige, deformierbare Strukturen mit integrierter Sensorik übertragbar, etwa in der textilen Architektur, im Leichtbau oder bei membran- und verbundbasierten Struktursystemen bspw. im maritimen Bereich.

Gleichzeitig machen die Untersuchungen deutlich, dass die Art der Integration und Kontaktierung einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Sensorsignale besitzt: Inline‑kontaktierte, integral eingewebte Sensoren sind technologisch anspruchsvoll und hinsichtlich Signalstabilität derzeit noch limitiert, während gestickte Sensornetzwerke mit klar definierten, gut zugänglichen Kontaktstellen deutlich robustere und auswertefreundlichere Signale liefern. Damit liefern die Arbeiten nicht nur einen vollständigen technischen Baukasten, sondern auch eine klare Präferenz für die weitere Systementwicklung in Richtung gestickter, hybrider Membranlösungen.

Im Bereich der mechanischen und elektromechanischen Charakterisierung erscheint eine Vertiefung biaxialer Prüfprogramme an funktionalisierten Membranen sinnvoll. Diese würden eine noch engere Verknüpfung von experimentellen und numerischen Daten erlauben und die Validierung der in den FEM‑Modellen verwendeten Material- und Schädigungsbeschreibungen auf das Sensor‑Membran‑System als Ganzes ausdehnen. Parallel dazu können die auf den bisherigen Daten aufbauenden Algorithmen zur Lastlokalisation und Spannungsrekonstruktion um weitere Lastkollektive, komplexere Randbedingungen und zusätzliche Fehlerbilder erweitert werden, sodass das Monitoring-System langfristig auch in stark variierenden Einsatzszenarien zuverlässig arbeitet.

Auf dieser Basis lassen sich perspektivisch Fertigungs- und Nachrüstkonzepte entwickeln, mit denen intelligente, selbstüberwachende Membranstrukturen in unterschiedlichen Branchen – von der Bauindustrie über Schutz- und Sicherheitsanwendungen bis hin zum maritimen Bereich – umgesetzt werden können.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22600N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstr. 12-14, 10117 Berlin wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

[1]   J. Mersch, C. A. G. Cuaran, A. Vasilev, A. Nocke, C. Cherif, and G. Gerlach, "Stretchable and Compliant Textile Strain Sensors," IEEE Sensors J., vol. 21, no. 22, pp. 25632–25640, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3115973.

[2]   E. Haentzsche, R. Mueller, T. Ruder, A. Nocke, and C. Cherif, "Integrative Manufacturing of Textile-Based Sensors for Spatially Resolved Structural Health Monitoring Tasks of Large-Scaled Composite Components," MSF, 825-826, pp. 571–578, 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.571.

[3]   K. Bremer, F. Weigand, Y. Zheng, L. S. Alwis, R. Helbig, and B. Roth, "Structural Health Monitoring Using Textile Reinforcement Structures with Integrated Optical Fiber Sensors," Sensors (Basel, Switzerland), vol. 17, no. 2, 2017, doi: 10.3390/s17020345.

[4]   T. D. Dinh et al., "A study of tension fabric membrane structures under in-plane loading: Nonlinear finite element analysis and validation," Composite Structures, vol. 128, pp. 10–20, 2015, doi: 10.1016/j.compstruct.2015.03.055.

[5]   T. D. Dinh, A. Rezaei, L. de Laet, M. Mollaert, D. van Hemelrijck, and W. van Paepegem, "A new elasto-plastic material model for coated fabric," Engineering Structures, vol. 71, pp. 222–233, 2014, doi: 10.1016/j.engstruct.2014.04.027.

[6]   J. Vitola, F. Pozo, D. A. Tibaduiza, and M. Anaya, "A Sensor Data Fusion System Based on k-Nearest Neighbor Pattern Classification for Structural Health Monitoring Applications," Sensors (Basel, Switzerland), vol. 17, no. 2, 2017, doi: 10.3390/s17020417.

 

Abstract

In dieser Studie wird Genipin zur Vernetzung von Nanofasern verwendet, die aus einer Lösung von Chitosan und Polyethylenoxid (PEO) (Verhältnis 7:3) in 70 %-iger Essigsäure elektrogesponnen wurden. Genipin ist eine chemische Verbindung, die aus den Früchten der gardenis jasminoides ellis isoliert wird und mit freien Aminogruppen reagiert. Außerdem ist es 5.000 bis 10.000 Mal weniger zytotoxisch als Glutaraldehyd, der bisher am häufigsten verwendete Vernetzer für Chitosan. [SHH+99] Untersucht werden die Fasermorphologie, die mechanische Festigkeit, das Ergebnis der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und die Löslichkeit in einer wässrigen Lösung mittels gravimetrischer Messungen.

Es wurden erfolgreich Nanofasern hergestellt und dann teilweise mit Genipin vernetzt und die Vernetzung war erfolgreich. Ohne Vernetzung lösten sich die Fasern in wässriger Lösung auf, während vernetzte Fasern stabil gequollen sind. Nicht vernetzte Fasern haben einen Faserdurchmesser von 573 ± 81 nm, vernetzte 560 ± 96 nm. Nach dem Quellen betragen die Faserdurchmesser 901 ± 105 nm.

1. Einleitung

Mit einer hohen spezifischen Oberfläche, einer hohen Porosität und einer ähnlichen Größe wie die extrazelluläre Matrix (ECM) im menschlichen Körper haben elektrogesponnene Nanofasern vorteilhafte Eigenschaften für medizinische Anwendungen und Tissue Engineering [KC17]. Chitosan ist ein natürliches Biopolymer mit guter Biokompatibilität und biologischer Abbaubarkeit und weist ebenfalls Ähnlichkeiten mit der ECM auf. Nanofasern aus Chitosan wurden in der Vergangenheit bereits elektrogesponnen, welche in wässrigen Lösungen schlechte Eigenschaften (mechanische Festigkeit, Anfälligkeit für enzymatischen Abbau, Auflösen) zeigen. Die Vernetzung führt zur Kopplung von funktionellen Gruppen im Chitosan und damit zu einer Stabilisierung des Polymers, wodurch die oben genannten Einschränkungen in wässrigen Lösungen verringert werden. Der am häufigsten verwendete Vernetzer für Chitosan ist Glutaraldehyd, der eine sehr hohe Zytotoxizität aufweist und brüchige und schwächere Fasern erzeugt. [SHH+99] Ein weniger zytotoxischer Vernetzer ist Genipin, das bereits zur Vernetzung von Kollagen und Gelatine für medizinische Anwendungen verwendet wird. Genipin reagiert mit den freien Aminogruppen des Chitosans und erhöht die Stabilität in flüssigen Medien. [MFS+14]

Chitosan als natürliches Polymer unterliegt Schwankungen in der Materialqualität und im Molekulargewicht. Lösungen von Chitosan enthalten unlösliche Teile und Partikel, die einen Einfluss auf den Spinnprozess oder die gesponnene Nanofaser haben können. Daher wird in der vorliegenden Arbeit die Lösung filtriert und der Einfluss des Filtrationsprozesses auf den Spinnprozess, die Fasermorphologie und die mechanischen Eigenschaften bewertet. Außerdem wird der Einfluss von Genipin auf die Fasermorphologie und den Vernetzungserfolg untersucht.

2. Materialien und Methoden

Die Chitosan/PEO-Nanofasermembranen werden im Elektrospinnverfahren mit einer Anlage vom Typ Fluidnatek LE500 (Bioinicia SL, Valencia, Spanien) hergestellt. Für das Elektrospinnen und die Herstellung der Nanofasermembranen werden Chitosan (Molekulargewicht 100 - 300 kDa, Acros Organics, Geel, Belgien), Polyethylenoxid (900 kDa, Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, Deutschland), Essigsäure (99,9 %), phosphatgepufferte Salzlösung (PBS), Ethanol (≥ 99,8 %, vergällt, alle Carl Roth GmbH + Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) und Genipin (Enzo Life Sciences GmbH, Lörrach, Deutschland) verwendet. Alle Chemikalien werden wie geliefert und ohne weitere Aufreinigung verwendet.

Die Fasern werden aus einer Lösung mit einer Massenkonzentration von 1,2 Gew.-% Chitosan und 2,8 Gew.-% PEO in 70 %-iger Essigsäure gesponnen. Chitosan und PEO werden getrennt voneinander unter ständigem Rühren 12 Stunden lang in dem genannten Lösungsmittel gelöst. Die Lösungen werden im genannten Verhältnis gemischt und 2 Stunden lang unter ständigem Rühren homogenisiert. Zur Vernetzung von Chitosan nach dem Spinnprozess wird der Lösung vor dem Spinnen Genipin zugesetzt. Es wird ein Verhältnis von Chitosan zu Genipin von 100:1 verwendet, und das Genipin wird separat in Ethanol unter ständigem Rühren 2 Stunden lang gelöst und dann zur Chitosan/PEO-Lösung hinzugefügt. Zur Filtration der Lösung werden Einwegspritzenfilter (Chromafil Xtra GF/ PTFE-45/25, Macherey-Nagel, Düren, Deutschland) verwendet.

Zur Vorbereitung des Spinnvorgangs wird die Spinnlösung in eine 5 mL Spritze (B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland) gefüllt, die an eine einzelne Spinndüse angeschlossen ist. Die Polymerlösung wird mittels Spritzenpumpe mit einer Flussrate von 1 mL/h durch eine Hohlnadel mit einem Durchmesser von 0,4 mm (B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland) extrudiert. Bei einer Spannung von +20 kV und -1 kV wird die Polymerlösung zu Fasern verstreckt und auf einer rotierenden Welle (Ø = 30 mm, Breite = 300 mm) mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 100 U/min gesammelt. Der Spinnprozess wird bei 23 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 30 % r.F. durchgeführt.

Das Waschverfahren zur Untersuchung der Löslichkeit in einer wässrigen Lösung besteht aus drei Schritten. Es werden jeweils 4 Proben von mit Genipin vernetzten und nicht vernetzten Vliesstoffen mit einer Größe von 20 mm x 20 mm verwendet. Die Proben werden vor und nach jedem Schritt gewogen. Zunächst werden die Proben 20 Minuten lang in Ethanol gewaschen. Dann werden sie in einem Vakuumtrockenschrank (VT 6025, Thermo Scientific TM, Waltham, Deutschland) 24 Stunden lang bei 40 °C getrocknet. Anschließend werden die Proben separat in 15 ml PBS-Lösung (9,55 g PBS/l dest. Wasser) für 24 h eingelegt und anschließend bei Raumtemperatur für 72 h getrocknet.

2.1 Viskosimetrie

Die Polymerlösungen, die im Elektrospinnverfahren verwendet werden sollen, werden auf ihre Viskosität hin untersucht. Im Allgemeinen verhalten sich Polymerlösungen als nicht-newtonsche Flüssigkeiten, d.h. die Viskosität ist abhängig von der Scherrate, bei der sie gemessen wird. Die Messungen der Viskosität werden mit einem RheolabQC (CC27, Anton Paar, Graz, Österreich) durchgeführt. Die Viskosität (mPa∙s) wird bei Scherraten zwischen 50 und 1500 1/s an 200 Einzelpunkten im Abstand von 1,2 Sekunden gemessen. Anschließend werden die Ergebnisse in einem Diagramm aufgetragen, das den Trend der Viskosität in Abhängigkeit von der Scherrate darstellt.

2.2 Lichtmikroskopie

Die Durchmesser der Nanofasern werden mit dem Lichtmikroskop gemessen (Software: Leica Application Suite, Version 3.8.0, Mikroskop: DM4000 M, Leica, Wetzlar, Deutschland).

​​​​​​​2.3 Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie

Das Vorhandensein von Chitosan nach dem Elektrospinnen und Waschen der Proben wird mit einem Nicolet iS 10 FTIR-Spektrometer und der Software OMNIC Specta (beide Thermo Scientific TM, Waltham, Deutschland) untersucht. Der Transmissionsmodus wurde im Bereich von 600 bis 4000 cm-1 verwendet.

​​​​​​​2.4 Statistische Analyse

Die Daten von mindestens drei Exemplaren werden als Mittelwert und Standardabweichung angegeben. Jeder Versuch wurde zwei- oder dreimal wiederholt. Die statistische Analyse erfolgte durch einen Zwei-Wege-ANOVA-Test mit SPSS für Windows Version 11.5. Ein p < 0,05 wird als statistisch signifikant angesehen.

3. Ergebnisse

Lösungs- und Scaffold-Eigenschaften

Vier verschiedene Vliese wurden durch Elektrospinnen hergestellt. Die Konzentrationen und Verhältnisse der Polymerlösungen und der geeigneten Lösungsmittel sind das Ergebnis vorangegangener Experimente mit faktoriellem Design. Konzentrationen von Essigsäure zwischen 5 und 90 %, Gesamtpolymerkonzentrationen von 2, 3 und 4 Gew.-% und Polymerverhältnisse von Chitosan zu PEO von 7:3, 1:1 und 3:7 wurden hinsichtlich Löslichkeit und Verarbeitbarkeit bewertet. Experimente mit niedrigen Polymerkonzentrationen oder höheren Chitosankonzentrationen führten zu einem nicht stabilen Spinnprozess oder zum Versprühen der Lösung. Im Hinblick auf die Prozessstabilität und die resultierende Fasermorphologie zeigten Polymerlösungen mit 4 Gew.-% und einem Chitosan/PEO-Verhältnis von 3:7 in 70 %-iger Essigsäure die besten Ergebnisse und wurden daher für diese Studie ausgewählt.

 

Abbildung 1:             Viskosität von Chitosan/PEO-Lösungen mit einer Polymerkonzentration von 4 Gew.-% und einem Verhältnis von 7:3 im filtrierten (grau) und ungefilterten (schwarz) Zustand. Nach der Filtration sinkt die Viskosität aufgrund des Ausschlusses von Teilchen mit höherem Molekulargewicht.

Die Viskosität der endgültigen Lösung unterschied sich deutlich zwischen dem gefilterten und dem ungefilterten Zustand. Bei der ungefilterten Lösung ist die Viskosität im Bereich zwischen einer Scherrate von 50 und 1500 1/s deutlich höher (siehe Abbildung 1). Bei einer Scherrate von 100 1/s hat die ungefilterte Lösung eine Viskosität von 1087 ± 13 mPas und die gefilterte Lösung 635 ± 23 mPas. Bei 1500 1/s sinken die Werte auf 385 ± 34 mPas bzw. 285 ± 5 mPas.

Die Faserdurchmesser der aus ungefilterten Lösungen hergestellten Nanofasern betragen 573 ± 81 nm und die der Nanofasern aus gefilterten Lösungen 441 ± 132 nm. Der Unterschied zwischen den beiden Gruppen ist nicht signifikant, zeigt aber einen Trend. Abbildung 2 zeigt einen Unterschied in der Faserstruktur. Fasern aus ungefilterten Lösungen zeigen gerade Fasern, während Fasern aus ungefilterten Lösungen gekräuselte Merkmale aufweisen.

 

Abbildung 2:         Lichtmikroskopische Aufnahmen von elektrogesponnenen Chitosan/PEO-Nanofasern aus ungefilterter (links) und gefilterter (rechts) Lösung.

FTIR wurde verwendet, um das Vorhandensein von Chitosan in den Nanofaservliesen nach dem Elektrospinnen und Veränderungen in der Struktur nach dem Filtrationsprozess zu zeigen. In Abbildung 3 zeigt die Kurve des Chitosanpulvers (gepunktet) charakteristische Banden von Chitosan in einem Wellenzahlbereich von 3100 bis 3400 cm-1. Diese sind auf N-H- und O-H-Streckschwingungen und intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen der Polysaccharidmoleküle zurückzuführen. Die Peaks bei 1583 und 1649 cm-1 zeigen NH2 (Amid II) bzw. C=O-NHR (Amid I) an. Der Peak im Wellenlängenbereich von 2800 bis 3000 cm-1 wird der CH2-Streckung zugeordnet. [CMH+08; RVM+11]

Die Kurven „ungefiltert“ und „gefiltert“ zeigen die Messungen der elektrogesponnenen Proben. Die Kurvenformen der gefilterten und ungefilterten Proben zeigen keine signifikanten Unterschiede in den Peaks. Demnach hat die Filtration der Chitosanlösung keinen Einfluss auf die chemischen Strukturen. Die charakteristischen Peaks von Chitosan sind in den Kurven der elektrogesponnenen Proben zu finden. Die Intensität der CH2-Streckung bei 2861 cm-1 nimmt mit dem Zusatz von PEO zu. In ähnlicher Weise werden Peakverschiebungen im Vergleich zu Chitosan beobachtet. Die Schwingungsbanden bei 1583, 1649 und 3348 cm-1 sind zu 1562, 1663 und 3353 cm-1 verschoben. Diese Peakverschiebungen sind auf die Abnahme der intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen von Chitosan und die Bildung neuer Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Chitosan und PEO-Molekülen zurückzuführen [CMH+08]. Die FTIR-Ergebnisse zeigen, dass Chitosan in den elektrogesponnenen Vliesen vorhanden ist und dass es während der Filtration nicht entfernt oder beschädigt wird.

 

Abbildung 3:         FTIR-Ergebnisse für das reine Chitosan-Pulver und Chitosan/PEO-Nanofaservliese aus gefilterten und ungefilterten Spinnlösungen. Alle Kurven zeigen typische Peaks für Chitosan zwischen 3100 und 3400 cm-1. Leichte Verschiebung der Kurven für Fasern aufgrund des Einflusses von PEO auf Wasserstoffbrückenbindungen.

Löslichkeit in wässriger Lösung

Membranen ohne Genipin wurden während des Waschvorgangs vollständig aufgelöst. Sie konnten daher nicht weiter untersucht werden. Mit Genipin vernetzte Proben weisen nach dem Waschvorgang eine Farbänderung auf. Die Farbe ändert sich von einem hellen Weiß zu einem grün-blauen Farbton, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Dies ist auf die Chitosanderivate zurückzuführen, die durch die Reaktion von Genipin mit den Aminogruppen von Chitosan gebildet werden [MSS00].

 

Abbildung 4:         A) Chitosan/PEO-Nanofaser-Vliesstoff mit eingearbeitetem Genipin vor dem Waschvorgang, hellweiße Farbe. B) Chitosan/PEO-Nanofaservlies mit eingearbeitetem Genipin nach dem Waschvorgang, blau-grüne Verfärbung und leichte Verformung der Membran aufgrund der bei der Reaktion mit Genipin gebildeten Chitosanderivate.

Außerdem zeigen die Proben mit Genipin nach 24 Stunden in PBS und anschließender Trocknung eine Zunahme des Gewichts und des Faserdurchmessers, wie in Abbildung 5 dargestellt. Bei ungefilterten Proben beträgt die Gewichtsveränderung +33,9 ± 5,2 % und bei gefilterten Proben +46,2 ± 7,1 %.

 

Abbildung 5:         Links: Faserdurchmesser vor und nach dem Waschvorgang; Rechts: Massenänderung aufgrund der Quellung der Nanofasern

Der Faserdurchmesser im gequollenen Zustand beträgt bei ungefilterten Proben 901 ± 105 nm, was einer Zunahme von 60,9 ± 4,3 % entspricht. Bei gefilterten Proben beträgt der gequollene Durchmesser 705 ± 102 nm, was einer Zunahme von 52,2 ± 0,6 % entspricht.

 

Literaturliste

[CMH+08]          Chen, Zonggang; Mo, Xiumei; He, Chuanglong; Wang, Hongsheng
                            Intermolecular interactions in electrospun collagen–chitosan complex nanofibers
                            Carbohydrate Polymers. Bd. 72 (2008) H. 3, S. 410–418

[KC17]                 Kishan, Alysha P.; Cosgriff-Hernandez, Elizabeth M.
Recent advancements in electrospinning design for tissue engineering applications: A review Journal of biomedical materials research. Part A. Bd. 105 (2017) H. 10, S. 2892–2905

[MFS+14]           Mirzaei, Esmaeil; Faridi-Majidi, Reza; Shokrgozar, Mohammad Ali; Asghari Paskiabi, Farnoush

Genipin cross-linked electrospun chitosan-based nanofibrous mat as tissue engineering scaffold Nanomedicine Journal. Bd. 1 (2014) H. 3, S. 137–146

[MSS00]             Mi, Fwu-Long; Sung, Hsing-Wen; Shyu, Shin-Shing
Synthesis and characterization of a novel chitosan-based network prepared using naturally occurring crosslinker Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. Bd. 38 (2000) H. 15, S. 2804–2814

[RVM+11]          Rakkapao, Natthida; Vao-soongnern, Visit; Masubuchi, Yuichi; Watanabe, Hiroshi
Miscibility of chitosan/poly(ethylene oxide) blends and effect of doping alkali and alkali earth metal ions on chitosan/PEO interaction
Polymer. Bd. 52 (2011) H. 12, S. 2618–2627

[SHH+99]           Sung, H. W.; Huang, R. N.; Huang, L. L.; Tsai, C. C.
In vitro evaluation of cytotoxicity of a naturally occurring cross-linking reagent for biological tissue fixation
Journal of biomaterials science. Polymer edition. Bd. 10 (1999) H. 1, S. 63–78